基于石墨烯构建的电化学传感器测定抗坏血酸

王春艳，周健，汤洪波，李秋月，周晓燕

（宜春学院化学与生物工程学院，江西宜春 336000）

抗坏血酸又称维生素C，是一种重要的营养物质，它可以预防坏血病、贫血、感冒、防癌、抗老化等。其在保障人体健康方面发挥着不可或缺的作用。人体自身不能生成抗坏血酸，只能通过摄入新鲜水果、蔬菜补充抗坏血酸。众所周知，人体缺乏抗坏血酸可引起多种疾病，但摄入过量也会产生一些不良反应。因此，测定食品中的抗坏血酸含量对饮食安全具有重要意义。目前，测定抗坏血酸的方法主要有高效液相色谱法、氧化还原滴定法、荧光法、光度法、电化学分析法[1-12]等。其中，电化学分析法操作简便快速、准确度高，是一种应用前景良好的检测方法。

碳纳米材料自被发现以来一直都活跃在纳米材料的研究领域中。其在电化学修饰电极上的应用具有以下优点：表面积大；体积小；响应时间短；灵敏度高和电子传递速率快等。碳纳米材料主要包括富勒烯（fullerene，C60）、碳纳米管（carbon nanotubes，CNTs）和石墨烯（graphene，GR）等，以这些碳材料修饰电极已成为电化学分析中的一个重要分支。石墨烯是呈蜂窝状的二维碳纳米材料，导电性能好、比表面积大、热力学性能良好、电子传递性能优异。将其作为电极修饰材料不仅可提高反应的电子转移速率，还可提高灵敏度[13]。据报道[14-23]，石墨烯修饰电极已用于胭脂红、Cu2+、葡萄糖、多巴胺等物质的检测中。目前，大多研究工作是将氧化石墨烯（graphene oxide，GO）滴涂在修饰电极表面，再电化学还原得到还原氧化石墨烯（ERGO）。而采用一步电沉积法可以直接将GO还原修饰至电极表面。此方法不仅绿色无污染、简单方便，而且可以控制修饰层厚度。

本文通过一步电还原法制备石墨烯修饰电极，并将其用于研究AA的电化学行为。实验结果表明，该修饰电极对AA具有良好的电催化活性。在优化条件下，将此修饰电极用于检测橙汁中的AA含量，可以快速准确的测定。

1 材料与方法

1.1 原料

抗坏血酸（分析纯），国药集团化学试剂股份有限公司；氧化铝抛光粉，天津艾达恒晟科技发展有限公司；H2SO4（98%），无锡市展望化工试剂有限公司；KCl（分析纯），西陇科学股份有限公司；NaCl（分析纯），天津市大茂化学试剂厂；葡萄糖（分析纯），国药集团化学试剂股份有限公司；草酸（分析纯），上海试剂总厂；柠檬酸（分析纯），天津市福晨化学试剂厂；多巴胺（分析纯），上海麦克林生化科技有限公司；Na2HPO4·12H2O（分析纯），西陇科学股份有限公司；NaH2PO4·2H2O（分析纯），西陇科学股份有限公司；K3Fe(CN)6（分析纯），上海麦克林生化科技有限公司；K4Fe(CN)6·3H2O（分析纯），上海麦克林生化科技有限公司；橙汁，购自某超市；实验用水均为二次蒸馏水。

1.2 主要仪器设备

CHI660E电化学工作站，上海辰华仪器有限公司；KQ-100B型数控超声清洗器，昆山市超声仪器有限公司；玻碳电极，天津艾达恒晟科技发展有限公司；铂丝电极，天津艾达恒晟科技发展有限公司；饱和甘汞电极，天津艾达恒晟科技发展有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 玻碳电极预处理

依次使用目数为1200、1500、4000目的砂纸对电极进行打磨，每次打磨完成后，电极均要超声清洗10 min后再进行后续打磨或处理，3次打磨和洗涤完成后，晾干电极。然后，依次用1.00 μm，0.30 μm和0.05 μm的Al2O3粉末对电极进行抛光处理。每次抛光处理后，电极依次放置于无水乙醇和二次蒸馏水中以超声波辅助清洗，再晾干电极，备用。

1.3.2 ERGO修饰电极的制备

采用Hummers[24]法合成氧化石墨烯，再参照文献[25]方法制备修饰电极：将制备的氧化石墨烯粉末置于磷酸盐缓冲溶液（c=0.067 mol/L，pH=9.18）中超声剥离，得到0.6 mg/mL GO胶体分散体，将电极浸入GO分散液中，在磁搅拌条件下，于-1.5 V～0.6 V电位范围内以25 mV/s的扫描速率循环扫描8圈，然后在空气中自然晾干备用即制得石墨烯修饰电极，记为ERGO/GCE。

1.3.3 电化学测试

电化学测试采用三电极体系。其中，ERGO/GCE修饰电极为工作电极，饱和甘汞电极（SCE）为参比电极，铂电极为对电极。用循环伏安法研究抗坏血酸在该修饰电极上的电化学行为及影响因素，所有实验均在室温条件下进行。

1.4 数据统计分析

本文中涉及的数据统计分析和绘图均采用Origin 7.5软件来完成。

2 结果与讨论

2.1 修饰电极的电化学表征

我们以K3[Fe(CN)6]为探针，分别将裸玻碳电极和ERGO修饰的玻碳电极置于含有1 mmol/L K3[Fe(CN)6]和0.1 mol/L KCl的混合溶液中进行循环伏安扫描。图1为裸玻碳电极和ERGO修饰玻碳电极分别在铁氰化钾溶液中的循环伏安曲线。可见，K3Fe(CN)6分子在裸GCE上表现出一对良好的氧化还原峰，相比较而言，ERGO修饰电极上铁氰化钾不仅表现出一对良好的氧化还原峰而且其氧化还原峰电流均明显增大，表明使用ERGO修饰电极可以增加电子在电极表面的传递速率，其原因可能是ERGO具有较大的比表面积、良好的导电性和电催化活性[26]。同时这也证明了ERGO己经成功附着在电极的表面。

图1 1 mmol/L K3[Fe(CN)6]的0.1 mol/L KCl溶液中GCE、ERGO/GCE的循环伏安曲线Fig.1 Cyclic voltammetric curves of GCE, ERGO/GCE in 0.1 mol/L KCl solution containing 1 mmol/L K3[Fe(CN)6]

2.2 电化学阻抗谱测试表征修饰电极

为了探究ERGO/GCE的电子传导能力，测试并对比了ERGO/GCE与GCE的电化学阻抗，如图2所示ERGO/GCE电化学阻抗图高频区的半圆直径小于GCE高频端半圆直径，说明ERGO/GCE相较于GCE具有更好的电子传导性能，同时也表明石墨烯已成功修饰到电极表面。

图2 ERGO/GCE(a)与GCE(b)在含有0.1 mol/L K3［Fe(CN)6］/K4［Fe(CN)6］的0.1 mol/L KCl溶液中的电化学阻抗图Fig.2 Electrochemical impedance diagram of ERGO/GCE and GCE in 0.1 mol/L KCl solution containing 0.1 mol/L K3[Fe(CN)6] /K4[Fe(CN)6]

2.3 AA的电化学行为

在含有0.01 mol/L抗坏血酸电解液中，分别用裸玻碳电极、ERGO修饰电极对AA进行循环伏安扫描，研究AA在两种电极的电化学行为。如图3所示，在-1.5 V～1.5 V电位范围内，所有电极均有1个不可逆的氧化峰，而在空白电解液中（不含AA）两种电极在相应电位均未检测到有峰出现。说明AA在这2种不同的电极表面均发生了不可逆反应。当在电极上修饰ERGO后，AA的氧化峰电流较在裸玻碳电极增大了0.17倍，且峰电位负移，说明石墨烯对AA的氧化具有良好的电催化作用。这可能由于石墨烯拥有大的比表面积和良好的电子传递性能，从而增大了电极的有效面积，电流响应增强。

图3 ERGO/GCE和裸GCE分别在0.01 mol/L AA溶液和空白溶液中的的循环伏安曲线Fig.3 cyclic voltammetry curves of ERGO/GCE and bare GCE in 0.01 mol/L AA solution and blank solution, respectively

2.4 实验条件的优化

2.4.1 沉积圈数的影响

通过控制沉积圈数考察了修饰电极上膜的厚度对AA响应的影响。如图4所示，曲线对应的沉积圈数分别为：4、8、6。在沉积6圈时，AA在修饰电极上电化学响应峰电流最大，沉积8圈时峰电流呈下降趋势。这是因为当膜的厚度过大时，电子在膜中的传递阻力变大，致使响应电流降低。因此，选择沉积圈数为6圈。

图4 沉积圈数对AA峰电流的影响Fig.4 Effect of number of coils on peak current of AA

2.4.2 溶液pH值的影响

电解质溶液的pH会影响修饰电极对AA的催化作用，采用循环伏安法进一步研究了不同溶液pH值对0.01 mol/L AA在ERGO/GC上的电化学反应的影响。图5是不同pH值的0.2 mol/L PBS溶液中，0.01 mol/L AA在ERGO/GCE上的循环伏安图，曲线对应的pH值分别为：7.5、7.0、6.0、6.5。由图5可见，氧化峰电位随pH的改变并未发生明显变化，说明没有质子参与抗坏血酸的氧化过程。当pH值为6.5时AA的氧化峰电流值最大，因此，选择0.2 mol/L PBS（pH=6.5）作为测试底液。

图5 不同pH值缓冲溶液对抗坏血酸在石墨烯修饰电极上响应的影响Fig.5 Different pH values of buffer solution against the influence of ascorbic acid response on graphene modified electrodes

2.4.3 扫描速率的影响

图6 修饰电极上AA在不同扫速下的循环伏安图（a）及AA峰电流与扫速之间的关系图（b）Fig.6 Cyclic voltammograms of AA on modified electrodes at different scan rates (a) and the relationship between AA peak current and scan rate (b)

选用pH值为6.50的PBS电解液，研究了扫描速率对AA氧化峰电流及电位的影响。图6是不同扫速条件下，0.01 mol/L AA在ERGO/GCE上的循环伏安响应曲线，曲线对应的扫描速率（mV/s）分别为：25、75、125、175。由图6a可见，当扫描速率在25 mV/s～175 mV/s变化时，AA的氧化峰电流随着扫描速率的增加而逐渐增大，并且其氧化峰电流与扫描速率的平方根呈线性关系如图6b所示，AA的线性回归方程为I=17.966V1/2-0.8513，R²=0.9945（I：μA，V：mV/s），说明AA在ERGO/GCE上的电化学过程受扩散控制。

2.5 AA线性关系及检出限

采用循环伏安法测定了不同浓度的AA在ERGO/GEO修饰电极上的电流响应。结果表明（由图7所示），在优化的实验条件下，测得AA氧化峰电流与其浓度在2×10-5mol/L～1.7×10-3mol/L范围内呈良好的线性关系。在2×10-5mol/L～1.7×10-3mol/L范围内，AA的氧化峰电流随着浓度的增加呈线性增大，其线性回归方程I=13.929c+4.5163，R2=0.991（I：μA，c：mmol/L），检出限为9×10-6mol/L（S/N=3）。

图7 抗坏血酸浓度与氧化峰电流的线性关系Fig.7 Linear relationship between ascorbic acid concentration and oxidation peak current

2.6 ERGO修饰电极的重现性及稳定性

为了评估ERGO/GCE修饰电极的重现性，用ERGO/GEO修饰电极对浓度为1×10-3mol/L的AA进行5次平行测定，其响应电流的RSD值为3.65%，表明该电极具有良好的重现性。将同一支ERGO/GCE修饰电极室温放置7 d后检测1×10-3mol/LAA的响应，结果显示峰电流为最初响应电流的98.81%，说明该修饰电极稳定性良好。

2.7 干扰测试

在实际样品检测中，干扰物质可能会影响检测的结果。因此，在最优测定条件下将ERGO/GCE修饰电极置于含有1×10-3mol/L AA的0.2 mol/L PBS（pH=6.5）溶液中，采用循环伏安法考察一些常见干扰物质对该修饰电极电化学响应的影响。在允许相对误差±5%范围内，实验结果表明10倍浓度的Na+、Cl-和100倍浓度的葡萄糖对AA的检测没有显著影响，1倍浓度的草酸、柠檬酸对AA的检测没有影响，0.1倍浓度的多巴胺不干扰AA的检测。

表1 样品测定及加标回收结果Table 1 Sample determination and standard recovery results

2.8 实际样品的测定及加标回收实验

移取一定体积的橙汁至100 mL容量瓶中，用pH=6.5的磷酸盐缓冲溶液稀释至标线，以ERGOGCE修饰电极作为工作电极，采用标准加入法进行测定，结果如表1所示，表中每组数据测定五次取平均值并计算相对标准偏差。由表1可知，样品加标回收率为97.95%～98.68%，测定结果的RSD为4.19%～4.46%。

3 结论

本文采用电化学还原法，通过一步电沉积制得石墨烯修饰电极，研究了AA在此修饰电极上的电化学行为，并考察了扫速和pH值等对电化学传感器性能的影响。实验结果表明，与裸玻碳电极相比，石墨烯修饰电极对AA具有更好的电催化活性。在优化的实验条件下，AA的浓度在2.00×10-5mol/L～1.70×10-3mol/L范围内与其氧化峰电流呈线性关系，检出限为9×10-6mol/L（S/N=3）。与文献[27]相比本实验通过一步电沉积法直接将氧化石墨烯还原修饰至电极表面。此方法不仅绿色无污染、简单方便，而且可以控制修饰层厚度。并且将制备的修饰电极用于研究AA的电化学行为，能产生与之类似的实验效果。将修饰电极用于橙汁中AA含量的测定，回收率在97.95%～98.68%之间。该电化学传感器具有稳定性和重现性好、灵敏度高等优点，其对抗坏血酸的响应性能良好。本文建立的电化学方法可为检测橙汁中AA含量提供参考。